（信号与信息处理专业论文）一种集群管理技术在以太网接入设备中的研究与实现.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着以太网技术的广泛采用，网络规模逐渐扩大，在网络边缘使 用的接入交换机数目和种类也随之增加。这些数目巨大的设备如果需 要逐一管理维护，将使管理工作非常繁琐，同时要为这些设备配置大 量的i p 地址，这在现在i p 地址资源相对紧张的情况下无疑是一种浪 费。因此，在目前的网络环境下，亟需一种能将同一网络内的各种设 备统一管理，而占用i p 地址又较少的新型网络设备管理技术一一集群 管理技术。 目前，集群管理技术得到了国内外众多通信厂商的广泛重视。大 家纷纷提出各自的集群管理方案，但都普遍存在功能不完善或方案不 系统等缺点，加上无法形成一种统的报文格式，使各个厂商的设备 无法进行互通和管理。为此，国家信息产业部召集了国内几家著名的 通信厂商开始制定有关交换机集群管理的规范与标准以太网 交换机集群管理技术规范( 讨论稿) ( 以下简称规范) 。 本文作者仔细研读讨论稿后，在肯定其优点的基础上，对其不足 之处进行了详尽的分析，并提出了自己的一套改进的解决方案。具体 的工作包括： 首先，本文详细分析了规范中集群管理方案的集群管理协议， 发现该协议需依赖于集群拓扑发现协议和集群拓扑收集协议，使得协 议的并行开发难以实施，导致开发时间延长和开发难度增大。为此，本 文提出了不同的方案，将集群管理部分功能独立出来，形成单独的集 群管理协议( z t eg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) ，并采用了完全不同 的收集候选设备信息的机制。使得本方案中的集群管理功能不再依赖 于拓扑发现和拓扑收集，并使集群管理协议应用更加广泛。 其次，本文经分析发现，规范中支持集群管理协议的设备均须 支持组播功能，这使一些低端的以太网接入设备参与集群管理失去了 可能。为此，在本文的集群管理协议报文中，目的地址将改用广播地址， 使其报文可以跨过不支持i g m p 和i g m ps n o o p i n g 功能的低端设备，使 电子科技大学硕士学位论文 集群管理系统的功能更全，更稳定。 再者，本文设计了一种新型协议一一虚拟集群冗余协议( v i r t u a l g r o u pr e d u n d a n c yp r o t o c o l ：v g r p ) 。此协议很好得解决了在规范 中没有得到解决的集群命令设备的m a c 地址和i p 地址的备份和切换问 题。 最后，本文还提出了一种新的网络拓扑算法。由于在目前的集群 管理系统中，考虑到集群中命令设备的负荷问题，规定了一个集群内 成员设备最多不能超过1 6 台设备，因此现存的有关网络拓扑的算法就 显得非常笨拙和效率低下。而本文提出的这种网络拓扑算法，在实际 应用中比起其他算法更加简单和高效。 在本文成文之前，信产部拟定的规范稿仍在讨论和修改。因 此，在以太网接入设备集群管理技术这个较新的领域里，本文设计的 集群管理方案能在一种基于i p 的以太网接入设备d s l a m 上完整实现， 本身就应该是一种工程上的探索和创新，此集群管理方案也将会为规 范稿的改进与修订提供一定的参考价值。 关键词：以太网接入，集群管理技术，拓扑发现，拓扑收集 i i 皇三登茎查兰堡主兰垡兰壅 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n s i v ea d o p t i o no ft h ee t h e r n e tt e c h n o l o g y ，al o to fs w i t h e r si nt h e a c c e s s l a y e r a r e g r e a t l yr e q u i r e d ，w h i c h n e e d se x t r e m e m a n a g e m e n t a n d m a i n t e n a n e ea n da l s oan u m b e ro fi pa d d r e s sa r es u r et ob ea l l o c a t e d n od o u b ti t b r i n g su n b e a r a b l e w a s t eo fi pa d d r e s si nt h ec i r c u m a t a n c e o fi p s c a r i t y s o a u n i f o r mm e t h o do fm a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c e ，t h a ti s ，t h eg r o u pm a n a g e m e n t t e c h n o l o g yi ni m m i n e n t l ye x p e c t e dt ot a c k l es u c hp r o b l e m n o w d a y st h et e l e c o m m u n i c a t i o nc o m p a n i e sa l l o v e rt h ew o r l dp a ym o r ea n d m o r ea t t e n t i o nt o t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o ft h e g r o u pm a n a g e m e n t t e c h n o l o g ya n da l s op r o v i d e v a r i o u sk i n d so fs o l u t i o n s h o w e v e r ，i ti so b v i o u st h e a t h o s es o l u t i o n sc a nn o tm e e ta l lf u n c t i o n so rf o r maw h o l es y s t e m m o r e o v e r ，t h e p a c k e t s f o r m a to ft h e s e p r o t o c o l s i sn o t c o m p a t i b l e ，w h i c h l e a d st oas e r i o u s p r o b l e m t h a tt h ed e v i c e s b y d i f f e r e n t p r o v i d e r c a nn o tc o n d u c t m u t u a l c o m m u n i c a t i o na n dm a n a g e m e n t t h u s ，t h em i n i s t r yo fi n f o r m a t i o nc a l l e df o rt h e s e r v a lf a m o u s n a t i o n a lc o m m u n i c a t i o n c o m p a n i e s t oe s t a b l i s ht h e r e l a t i v e s p e c i f i c a t i o no f t h eg r o u pm a n a g e m e n tt e c h n o l o g y a f t e rr e s e a r c h i n gt h es p e c i f i c a t i o n ，t h i sp a p e ra b s o r b st h em e r i t s ，a n a l y z e st h e w e a k n e s si nd e t a i la n dm a k e ss o m em o d i f i c a t i o n t h ec o n t e n t si sf o l l o w e d ： f i r s t l y ，t h eg r o u pm a n a g e m e n tf u n c t i o nd e p e n d o nt h ei m p l e m e n t i o no ft h e t o p o l o p yd i s c o v e r y a n dt o p o l o g yc o l l e c t i o ni n ，i t c a u s e p a r a l l e l e x p a n s i o n o ft h e p r o g r a m m eb e c o m ev e r yd i f f i c u l t ，p r o g r a md e v e l o p m e n t t i m eb e c o m el o n g e ra n d d e v e l o pb e c o m em o r eh a r d g r o u pm a n a g e m e n tp a r ta d o p td i v e r s ew a y f r o md r a f t a n ds h a p es i n g l yz g m p i tc a u s eg r o u pm a n a g e m e n tf u n c t i o n d o n td e p e n do n t o p o l o g yd i s c o v e r ya n d c o l l e c t i o na n yl o n g e r t s e c o n d l y ，s o m el o wp r o f i l ee t h e r n e td e v i c e st h a t c a nn o ts u p p o r ti g m pa n d i g m ps n o o p i n gc a nn o ts u p p o r tt h eg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l s c o n s i d e r i n g t h a ts o m el o w p r o f i l e e t h e r n e td e v i c e s c a nn o t s u p p o r t i g m pa n d1 g m p s n o o p i n g ，t h i sp a p e ra d a p t sad i f f e r e n tm e t h o d b ys e p a r a t i n gt h ep a r to f g r o u p 1 1 1 电子科技大学硕士学位论文 m a n a g e m e n t f r o mt h ew h o l es o l u t i o n ，i tf o r m s a s i n g l eg r o u pm a n a g e m e n t p r o t o c o lu s i n gan e wc o l l e c t i o nm e c h a n i s mt o t a l l yd i f f e r e n tf r o mt h eo n ei n t h e s p e c i f i c a t i o n t h i r d l y ，t h ep r o b l e m o fs w i t h eo ft h em a ca d d r e s sa n d1 pa d d r e s so ft h e r e l a t i v e g r o u pc o m m a n dd e v i c e a n db a c k u pd e v i c e sd i dn o tr e s o l v e de f f i c i e n t l y d e a l i n g w i t ht h es e t b a c k si nt h e s p e c i f i c a t i o n ，t h i sp a p e r ，b y m a k i n gs o m e r e a s o n a b l em o d i f i c a t i o n o nt h eb a s i so fv r r p , p r e s e n t s av i r t u a l g r o u p r e d u n d a n c yp r o t o c o l ( v g r p ) v g r ps o l v e s t h em a ca d d r e s so ft h er e l a t i v e g r o u pc o m m a n d d e v i c ee f f i c i e n t l ya sw e l la st h eb a c k u pa n ds w i t c ho fi pa d d r e s s l a s t l y ，t h eg o i n ga r i t h m e t i co f t h en e t w o r kt o p o l o g ya p p e a r st ob ed u l la n dl o w e f f i c i e n ti nt h el i m i td e v i c e ss y s t e m o fa 1 1t h ec u r r e n tg r o u pm a n a g e m e n ts y s t e m ， i fc o n s i d e r i n gt h eo v e r l o a do ft h eg r o u pc o m m a n dd e v i c e ，w el i m i tt h en u m b e r o f t h ed e v i c ei nt h es a m eg r o u pn om o r et h a n 16 s ot h ea r i t h m e t i co ft h en e t w o r k t o p o l o g ya p p e a r st o b ed u l la n dl o we f f i c i e n t i nt h i sp a p e ran e wa r i t h m e t i c i s r e s e a r c h e d ，w h i c hi ss i m p l e ra n dm o r ee f f e c t i v et h a no t h e r s i np r a c t i c a lu s e b e f o r et h i s p a p e rc o m p l e t e d ， i su n d e rd i s c u s s i o na n dm o d i f i c a t i o n s o ，i n n e wa r e a o f g r o u pm a n a g e n t ，t h i sc o m p l e t er e a l i z a t i o no f g r o u pm a n a g e m e n tp r o p o s a li no n e b a s e do ni pe t h e r n e t a c c e s sd s l a md e v i c ei s o n ek i n do fe x p l o r a t i o n a n d i n n o v a t i o ni n e n g i n e e r i n g ，a n d t h i s p a p e r m a n a g e m e n tt e c h n o l o g ys p e c i f i c a t i o n f o r r e f e r e n c ev a l u e s w i l l p r o v i d e r e f i n e m e n t o f w i t hs o m e k e yw o r d s ：e t h e r n e ta c c e s s ，g r o u p m a n a g e m e n t t e c h n o l o g y ，t o p o l o g y d i s c o v e r y ，t o p o l o g yc o l l e c t i o n i v 独甸性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 徘赵挚一啡御蛑油。日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阕。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：趑豸导师签名：途堕逾 日期：御5 年5 月fz 日 电子科技大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 互联网对我们生活的影响已经难以估计，唯一可以肯定的是它对我 们生活的参与日益加深。由于互联网的存在，地球成为一个真正的村庄。 它赋予人类的活动半径之大，传播速度之快，促进其塑造出一种与 农业社会和工业社会不同的社会文明形态一一一网络社会文明形态。 当今社会正逐渐步入网络社会。网络消费对传统经济产业的深化与 颠覆，网络媒体对传统媒体的渗透与共荣，已渗透到人们生活的方方面 面，影响到人们的日常生活，改变着人们的生活节奏。其影响之广，已 在接触和使用网络的个体，群体急剧膨胀的数量上得到证实；影响之深， 在人们的语言、价值观、行为方式、文化等深层次领域中已清晰可见。 目前，全球8 5 的网络都是采用以太网接入技术。因此，集宠一身 的以太网技术的未来发展趋势又成为人们的关注焦点与研究热点。经过 不断的理论探讨与反复实践，各受关注的以太网技术发展趋势阻1 已日渐 明朗： 1 ) 端到端q o s 是通信发展的方向 在以往的网络中，高q o s 意味着高价格。但是，a s i c 技术的高速 发展使低端设备具备强大的q o s 能力成为可能，网络的q o s 开始从集中 保证逐渐向端到端保证过渡。 2 ) 组播技术发展成熟 组播技术作为一种与单播技术并列的传输方式，其意义不仅在于减 少了网络资源的占用，提高扩展性，更重要的是可以通过网络的组播特 性方便地提供新业务。 3 ) 智能识别技术 随着芯片技术的发展，崭新的交换机技术具有智能转发的特点，可 根据不同的报文类型、业务优先级、安全性需求对不同用户群和应用级 别层次进行识别，进行区别转发，满足不同用户的大范围需求。 电子科技大学硕士学位论文 4 ) 集群管理技术 对于运营网络和大型企业，由于接入层的设备数量众多，维护工作 量巨大，迫切要求设备提供统一的管理和维护手段，引入集群管理协议 非常必要。集群管理可以通过一个管理i p 来维护众多的网络设备，并提 供设备拓扑发现功能、设备故障和链路故障告警、设备统一配置等多种 灵活的网络维护手段，正逐渐发展成为网络接入层设备管理的主要手段。 5 ) 用户管理功能更加完善 采用v l a n + w e b 认证技术，不需要客户端软件，因此可以开发出 更多的增值业务，成为最有前途的认证技术之一。 6 ) 交换设备和路由设备的逐渐融合 伴随着a s i c 和网络处理器的不断成熟，交换设备和路由设各在路由 更新能力，报文缓冲能力，队列调度能力方面的差距越来越小，交换设 备和路由设备逐渐在走向融合。 1 2 国内外发展动态 目前国内外的各个通信厂商都在积极开展有关集群管理技术的研究 和实现。 在国外，以美国思科公司”1 为代表曾推出过一种交换机集群技术， 它可以看成是堆叠和级连技术的综合。这种技术可以将分布在不同地理 范围内的交换机逻辑地组合到一起，可以进行统一的管理。思科公司提 出了一种集群管理协议c d p ，其基本思想就是在集群之中选出一个 c o m m a n d e r ，而其他的交换机处于从属地位，由c o m m a n d e r 统一管理。但 是这种管理的实现不是基于i p 地址，而是基于c i s c o 公司设备出厂时 统一分配的序列号作为设备地址对网络设备实行管理，这种基于c i s c o 公司私有序列号，管理程序运行在自由的协议栈上的管理协议几乎没有 可开放性，对于电信运营商要求对网络中设备统一实现管理几乎是不可 能的，同时，其管理协议管理规模目前最大只有1 6 台，不能满足运营级 以及大型企业网对大规模网络的管理需求。 国外的集群管理技术虽然比国内成熟些，但其运行的都是各个公 司的私有协议，管理的实现也都是基于本公司设备出厂的系列号，并无 统一的集群管理技术标准。 电子科技大学硕士学位论文 在国内，深圳华为公司“1 借鉴c i s c o 公司的集群管理技术，结合自 己的实际应用，也提出了一些集群管理方面的协议，如h d p ( 华为发现协 议) 、h t p ( 华为拓扑收集协议) 和h g m p ( 华为集群管理协议) 。华为集群 方案作为一个整体，比较完整的提供了从邻居发现、拓扑收集以及集群 管理的各种方法，方便用户对网络的统一管理。同时考虑到移植性和可 开放性，集群管理的实现基本上是在t c p i p 协议栈的基础上，利用一些 公开的技术实现的。 北京港湾网络公司”1 以及武汉烽火网络公司”1 等厂商也陆续参与了 交换机集群管理技术的研究并提出了自己的集群管理方面的协议。但是 由于这些协议都是各个公司自己开发的，格式也是自己定义的，因此存 在着不够系统性、协议报文格式不统一、无法互通和互相管理等等问题， 给网络管理带来极大得不方便。 从2 0 0 3 年1 1 月份起，国家信息产业部招集了国内的几个著名的通信 厂商以及数家研究机构，开始开展有关集群管理技术规范的研究和指定， 截止到本文写作之日，已经形成了以太网交换机集群管理技术规范( 讨 论稿) 。 1 3 集群管理系统的主要功能 在之前介绍的以太网技术的发展趋势中的集群管理技术，得到了国 内外众多网络设备厂商的广泛关注。经过研究和实践后，它们纷纷提出 自己的集群管理技术方案。虽然不尽相同，但一个集群管理系统所需实 现的功能大致是一致的，它们是： 1 ) 集群成员的管理和维护功能 该功能是实现创建一个包含若干台成员设备的集群，集群是由一组 以太网设备组成的一个集合，集群应该能很方便得添加和删除其中的成 员设备以及维护其在集群中的状态和管理角色的转换。 2 ) 对成员设备的配置信息的统一管理 在集群创建后，集群提供一个管理通道，网络管理员可阱通过多种 方式( s n m p 和t e l e n t 等) 对集群中的成员进行配置信息的管理，大 大减轻了设备配置管理的工作量。 3 ) 外部对集群内成员的访问 电子科技大学硕士学位论文 由于集群对外部而言只有一个公众i p 地址，因此外部的设备无法直 接访问集群内部的成员，该功能可以实现外部的设备通过集群的命令设 备做n a t 转换对集群内成员进行访问。 4 ) 集群拓扑发现功能 集群管理协议应能使得每个运行该协议的设备通过拓扑发现报文都 能发现和其直接相连的其他设备，并且能收集到这些相邻设备的相关信 息加以存储。 5 ) 网络拓扑收集功能 该功能是依赖于网络拓扑发现功能实现的基础上，由其中一台设备 主动收集相邻设备中通过网络拓扑发现功能而存储的该网络内其他设备 的相关信息，以达到绘制整个网络的逻辑拓扑图的目的。 1 4 本文各章节安排 第二章首先简单介绍了规范里的集群管理系统。并主要针对其 缺点，设计出了自己的一整套集群管理系统方案，提出了其体系结构及三 个相关协议：集群管理协议( z t eg r o u pm a n a g e n tp r o t o c 0 1 ) ，集群拓扑 发现协议( z t et o p o l o g yd i s c o v e r yp o t o c 0 1 ) 和集群拓扑收集协议( z t e t o p o l o g yc o l l e c tp o t o c 0 1 ) 。其中， z g m p 有别于规范，将不再依赖 于另两种协议一一集群拓扑发现和收集协议而独立运行开发。并且，在设 计的方案中，不支持组播功能的低端设备也同样可以参加集群管理。 第三章给出了一种改进的新型的v g r p 协议。此协议能很好解决目 前主备切换无法切换m a c 地址的棘手问题。 第四章详细给出了本集群管理系统的具体设计和实现方案。其中包 括：实现集群管理的相关系统环境，三个集群协议的设计思想和具体实 现流程以及v g r p 实现的具体流程，并提出了一种简单有效的网络拓扑算 法来解决目前在设备有限的情况下发现效率低下的问题。 第五章将详尽给出本集群管理系统最终在一种基于i p 内核的以太 网接入设备d s l a m - - 一z x 9 4 2 6 中的完整实现。并对这些测试方法和测试 结果进行了严格的验证。 第六章对集群管理技术作了总结，并简单展望了其令人期待的发展 前景。 电子科技大学硕士学位论文 第二章 集群管理系统的体系结构与相关协议 本章先简单介绍下规范里的集群管理系统方案。在之后的大部 分篇幅里，本文针对之前提到的规范里的一些弊端提出了自己设计 的新型集群管理系统体系结构，总体要求及相关协议。 2 1 规范) 中的集群管理系统 2 1 1 系统结构 一个集群出四种角色组成，俞令交换祝、备份交换枧、成员交换规、 候选交换机。其中有且仅有一台命令交换机，它可以自动收集设备拓扑， 并建立集群，集群建立后，命令交换机提供了一个对集群的管理通道， 对成员交换机进行管理。当命令交换机失效，备份交换机自动切换为命 令交换机，成员交换机在加入集群之前为候选交换机。 2 1 ，2 集群管理功能 参与集群管理的交换机必须支持集群拓扑收集协议( g r o u pt o p o l o g y p r o t o c 0 1 ) ，这些交换视通过拓扑发现撮文能发现各自豹邻居，命令交换 机收集候选交换机的邻居发现信息，绘制整个集群的拓扑图，命令交换 极请求候选交换枧加入集群，候选交换枧加入集群成为成员交换机后。 通过命令交换机可以对其进行管理维护。 集群建立届，命令交换机提供了一个对集群的管理通道，管理员可以 通过s n m p 、t e l n e t 、h t t p 等对集群的成员进行管理，在此基础上可实现 成员交换机的批量配置等功能，大大减轻设备维护管理的工作量， 电子科技大学硕士学位论文 2 1 3 集群拓扑收集协议( g r o u pt o p o l o g yp r o t o c 0 1 ) 集群拓扑收集包括邻居发现和拓扑收集两部分，使用集群拓扑收集 协议。其报文承载于e t h e r n e t 2 帧之上，格式如图2 1 所示。 目的m a c 地源m a c 地址协议类型报文类型报文净载 f c s 址( 6 字节)( 2 字节)( 4 字节)荷( 可变( 4 字节) 图2 1 规范中集群拓扑收集报文 其中，目的m a c 地址可以采用单播地址，也采用组播地址 o x 0 1 8 0 c 2 0 0 0 0 0 a ，具体描述见4 2 和4 3 节的描述。 协议类型为0 x 8 8 a 7 。报文类型可能取值有三种： o x 0 0 0 1 0 0 0 0 ：集群管理协议报文，建立集群和管理维护集群时使用。 o x 0 0 0 3 0 0 0 0 ：拓扑发现报文，在邻居发现过程中使用，成员交换机在 邻居发现过程中发现和本设备直接相连的其它设备及相关信息； o x 0 0 0 4 0 0 0 0 ：拓扑收集报文，在拓扑收集过程中使用，命令交换机在 拓扑收集过程中收集设备的拓扑情况。 报文净载荷是每种报文的具体内容。 集群拓扑收集协议是基于以太网协议的，所以集群必须在一个连通的 以太网范围内，不能跨越三层网络或其它非以太网类型的二层网络。 邻居发现 使用拓扑发现报文( d i s c o v e r yp a c k e t ) ，报文承载于e t h e r n e t 2 ，目 的地址使用组播地址o x 0 1 8 0 c 2 0 0 0 0 0 a 。报文格式如图2 2 所示。 其中，v e r s j o n 表示报文的版本号，填o x 0 1 。 t t l 表示报文接收者保存这个报文的时间，单位为秒。 6 电子科技大学硕士学位论文 c h e c k s u m 为整个报文的校验和，具体计算方法见r f c l 0 7 1 。 t y p e 、l e n g t h 、v a l t i e 三个字段为一组，表示本设备一种类型的信息， 每个报文中可能有多个这样的组，表示多种类型的信息。当一个报文不 能包含所有信息时，这些信息可以分拆在两个或多个报文中，但一组的 信息必须完整。 l e n g t h 为t y p e + l e n g t h + v a l u e 域的长度，单位字节，v a l t i e 的长度 取决于t y p e 的取值，具体见v a l u e 的描述。 v a l u e 取决于t y p e 的值，分别取不同的值： 当t y p e 为d e v i e ei d 时，v a l u e 长度为1 0 字节，表示设备标识，唯 一标识一台设备，设备标识格式如下所示。 r e s e r v e d 字段固定填o x 0 0 0 0 0 0 0 0 。每个拓扑发现报文中必须包含该类 型的信息。 当t y p e 为h o s t n a m e 时，v a l t i e 表示发送者的主机名，长度可变，为 主机名的实际长度，在拓扑发现报文中可选。 当t y p e 为a d d r e s s 时，v a l u e 表示接口的各种协议地址和系统管理地 址，长度可变，为该域的实际长度，在拓扑发现报文可选。该域可以包 含多个地址，格式如下： l 一( 4 b y t e s ) 地址f 可变 i 其中地址数表示v a l u e 中包含的地址的个数，地址数后面紧跟的是一 个或多个具体的地址，地址的格式如下： 篱“署1憾p r o t o 捌c o l 。篙a d d r 。e 。s 8憾a d d r e 捌s s 。 其中，f o r m a t 表示协议类型。p r o t o c o l 表示协议种类。a d d r e s sl e n g t h 表示a d d r e s s 域的长度。a d d r e s s 表示地址的具体值。 当t y p e 为p o r ti d 时，v a l u e 表示发送接口的描述符，为a s c i i 字符 串。长度可变，为该域的实际长度，在拓扑发现报文必须a 7 电子科技大学硕士学位论文 当t y p e 为c a p a b i l i t i e s 时，v a l u e 表示设备的转发能力，长度为4 字节，在拓扑发现报文可选。 设备可能支持多种能力，有多种能力时，各个能力值与运算得到最后 的能力值，如某设备同时支持三层路由功能和l 2 透明桥协议，o x 0 1 与 0 x 0 2 得到0 x 0 3 表示该设备的能力。 当t y p e 为v e r s i o n 时，v a l u e 表示设备的软件版本号，为a s c i i 字符 串。长度可变，为该域的实际长度，在拓扑发现报文可选。 当t y p e 为d e s c r i p t i o n 时，v a l u e 表示设备描述，为a s c i i 字符串。 长度可变，为该域的实际长度，在拓扑发现报文可选。 当t y p e 为i p p r e f i x 时，v a l u e 表示端口的所有i p 网段，每个i p 网 段长度为5 字节，前4 个字节为网络地址，后一个字节为掩码长度，如 果有多个i p 网段，顺序排列。该域长度为i p 网段个数木5 ，在拓扑发现 报文可选。 当t y p e 为m a n a g e m e n t v l a n 时，v a u e 表示发送端口的管理v l a ni d ， 该域长度为2 字节，在拓扑发现报文可选。 当t y p e 为f u l l h a l f d u p l e x 时，v a u e 表示发送端口是否双工模式， 1 表示是双工模式，2 表示半双工模式。长度是1 个字节。 2 2 本集群管理系统中的体系结构 由于本文只是借鉴了规范里的些设计基本思想和部分协议报文 格式，对于规范里的不足本文提出了一整套全新的解决方案。很明 显，规范存在三个协议不能并行开发，不能支持无组播功能设备参加 集群等缺点。因此，除了第一节里所介绍的，本文不再赘述规范里 其他与本集群管理设计方案不相关或不一致的论点，并在接下来的章节 里详尽提出自己的设计思想和实现方案。 2 2 1 本集群管理系统中的角色描述 在本系统中，集群指的是由一组以太网设备组成的一个集合，在这个 电子科技大学硕士学位论文 集合里，所有的设备都被分成了四种角色：命令设备，成员设备，候选 设备和各份设备。其系统的结构图如下所示： 成员设窑普通设备r 不支持集 黛网瓣， 成员设餐候选设备成员设备候选设备 图2 3 集群管理系统结构图 集群系统中的四种角色定义如下： 命令设备：命令设备指的是在集群中，提供对整个集群的管理接口 作用的设备称为命令设备，它也是在集群中可以配置公网i p 地址的设 备( 同时也存在一个私网i p 地址，和成员设备互通) 。对集群中的成员 进行配置、管理、监控，都必须通过命令设备来进行。命令设备对接收 到的配置命令等进行重定向，把它发送到相应的成员设备进行处理。命 令设备还实现外部设备对成员设备的访问以及成员设备对外部的访问。 成员设备：在一个集群中可被命令设备通过集群的管理通道进行管理 的设备。命令设备可以通过特殊的集群管理通道对成员设备进行配置信 息和业务功能的管理，以及实现外部设备对其的访问能力和成员设备对 外部的访问能力。 备份设备：在一个集群中充当如果命令设备出现失效时可变为命令 设备的成员设备。在命令设备正常的时候作为普通的成员设备一样被管 理，但是会定期和命令设备同步一些集群的管理信息数据，也会自动去 检测命令设备是否正常，如果发现命令设备失效的时候则通过一定的机 制切换成命令设备的角色，实行对集群中其他设备的管理功能，维护对 外部的公网i p 地址和内部的集群管理通道。 候选设各：候选设备指的是被命令设备已经接收到相关信息，具有 加入集群的资格，但是还没有被网络管理员确认加入集群的以太网设备。 在本文的集群管理系统中，命令设备中候选设备的信息可以通过两种方 9 电子科技大学硕士学位论文 式来获得：如果候选设备仅仅支持 i g m p 和i g m ps n o o p i n g 的设备 z g m p 或者是网络中存在着不支持 则命令设备会接收到候选设备发送 的广播请求报文，从报文甲获取设备的相关信息作为候选设备信息；如 果网络中所有的设备都支持i g m p 和i g m ps n o o p i n g 功能，并且候 选设备也支持z t d p 和z t c p 协议，则命令设各通过z t c p 协议来收集 网络中其他设备的信息并作为候选设备。 本集群管理系统实现的目标是在一个集群中最多可以有1 6 台设备， 即一台命令设备，l5 台成员设备。备份设备也是成员设备，一个集群中 的备份设备可以有多台，但是备份设备和成员设备的数目之和必须不大 于】5 。命令设各可以完全统一管理各个成员设备。 2 2 2 本集群管理系统中的角色切换准列 这四种角色的切换规则如图2 4 所示。 命夸交授机失效或手动切 图2 4 四种角色的切换规则 所有支持z g m p 协议的设备在运行z g m p 后都是自动成为候选设 各，候选设备定时自动往和其相邻的设各中发送广播请求报文，报文里 包含着有关该设备描述的信息。 旦集群被创建后，命令设备就停止发送广播请求报文，并开始接 收其他候选设备发送的广播请求报文，并把接收到的广播请求报文中的 设各信息存储在候选设备列表中，供网络管理员选择加入集群a 此候选 设备表不断更新，并定时老化，如果某个候选设备的信息在一定的 h o l d l i m e 内没有更新，命令设备则认为此信息老化，之后将删除该侯选 电子科技大学硕士学位论文 设备信息。 如果网络管理员从候选设备列表中选择其中一台为成员设备，此时命 令设备会发送z g m p 请求加入报文给指定的候选设备，在接收到候选设 备的确认信息之后，命令设备把该候选设备的状态变成成员设备，并把 该候选设各从候选设各列表中删除。而如果网络管理员在命令设备上把 该成员设备从集群中删除，命令设各发送z g m p 删除成员报文，在接收 到该报文的确认后把该成员设备从成员列表中删除。而该成员设备在接 收到命令设备发送过来的z g m p 删除成员报文后，回复一个删除成员的 确认报文，同时删除保存的集群信息，把设备的状态转换成候选设备， 开始发送广播请求报文。 网络管理员可以从成员设备中选择其中一台或者几台成员设备作 为备份设备，在得到成员设备的确认后就把该成员设备的状态修改成备 份设备，并定时同步有关的集群管理信息。网络管理员也可以在命令设 备上删除备份设备，这样这些备份设备就重新回复到成员设备，同时删 除备份的集群管理信息，只保留一些有关基本集群配置的信息。 备份设备通过主备切换机制来侦听集群内的成员设备是否失效，如 果发现失效的话就开始执行主各切换过程( 如果不止一个备份设备，则 还会执行候选设备的主用竞争过程) ，切换成功后就变成了命令设备。之 后，将自己m a c 地址变换成统一的虚拟m a c ，并用此虚拟m a c 与其他设 备进行通讯。命令设备也会一直通过发送v g r p 通告报文，执行主用竞争 过程，如果发现有优先级更高的命令设备，则自动更换回自己的m a c 地 址并把自己的状态变成备份设备。 2 2 3 本集群管理系统的总体要求 本集群管理系统由三个相对独立的协议组成，分别是：集群管理协议 ( z t e g r o u pm a n a g e m e n t p r o t o c o l ，以下简称z g m p ) 、集群拓扑发现协 议( z t e t o p o l o g yd i s c o v e r yp r o t o c o l ，以下简称z t d p ) 和集群拓扑收 集协议( z t et o p o l o g yc o l l e c t i o np r o t o c o l ，以下简称z t c p ) 。三个协议 的作用如下： 集群拓扑发现协议z t d p 用于自动发现和本设备直接相连的其他设 备及这些设备的相关信息，并保存这些信息。该协议是集群拓扑收集协 电子科技大学硕士学位论文 议运行的基础，该协议定时自动发送和接收z t d p 报文，并将接收到的 邻居设备的信息存储在本地以供集群拓扑收集协议之用或者在本地设备 显示。 集群拓扑收集协议z t c p 是依赖于在集群拓扑发现协议z t d p 运行的 基础上，由一台设备主动发起，用于收集相邻设备里通过运行集群拓扑 发现协议z t d p 而存储的相关设备信息，然后通过网络拓扑算法将这些 收集来的信息绘制成网络的逻辑拓扑图。 支持集群拓扑发现协议z t d p 的设备通过拓扑发现报文能发现各自 的邻居，命令设备通过集群拓扑收集协议报文可以收集相邻设备的邻居 发现信息，绘制整个集群的拓扑图。z t c p 报文和z t d p 报文都是承载 在以太网帧之上，并且是采用组播地址作为目的地址，因此要求运行这 两个协议的设备都必须支持l g m p 和i g m ps n o o p i n g 功能。 集群管理协议z g m p 是用于实现对集群的统一管理，包括对集群成 员的加入、删除、信息配置和信息查询等管理，以及外部对集群的访问 和集群成员对外部的访问。集群管理协议报文也是承载在以太网帧之上， 其中用于候选设备信息收集的广播请求报文是采用以太网的广播地址作 为目的地址，而其他的报文都是采用单播地址作为目的地址。这样做的 好处是如果网络中存在着不支持i g m p 或者i g m ps n o o p i n g 的低端以 太网设备，仍然可以实现集群管理功能，只是无法实现拓扑发现和拓扑 收集功能。 参与集群管理的设各必须支持z g m p 集群管理协议，可选支持z t d p 集群拓扑发现协议和集群拓扑收集协议z t c p 。 接下来，本文将重点描述集群管理协议z g m p 、集群拓扑发现协议 z t d p 和集群拓扑收集协议z t c p 的协议思想及报文格式。 2 3 本集群管理协议z g i d p z g m p 集群管理协议要实现三个方面的功能，即候选交换机信息的接 收，成员交换机角色的配置和维护，成员交换机业务的管理。 电子科技大学硕士学位论文 2 3 1 集群管理协议z g m p 的基本设计 在一个网络中，每一个支持并启动了z g m p 集群管理协议的交换机 周期地发送加入集群的广播请求报文。当用户在其中一台交换机上刨建 集群后，该交换机就变成命令交换机，停止发送加入集群的广播请求报 文，开始接收其他交换机的加入集群的广播请求报文，并动态建立个 候选交换机信息表。当用户将候选交换机信息表中的一些交换机配置为 成员交换机后，命令交换机又会建立一个成员交换机信息表，初始这些 成员交换机均处于i n a c t i v e 状态，当命令交换机根据成员交换机信息表 请求这些交换机加入集群，并且得到确认后，才将其置为a c t i v e 状态。 发送加入集群的广播请求报文的交换机收到命令交换机的加入邀 请，并确认自己要加入该集群，则发送加入确认包，并同时将自己置为 成员交换机，停止发送加入集群的广播请求报文。 命令设备和a c t i v e 状态的成员设备定期互发h e l l o 握手包。如果三次 接收不到h